CN110609072B - 一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路，包括普鲁士蓝膜生物电极传感器、连接器、三芯屏蔽线、接线端子、检测电路、控制器和基准电源；普鲁士蓝膜生物电极传感器与连接器连接，连接器的参考电极RE、工作电极WE、对电极CE与三芯屏蔽线相连，连接器通过三芯屏蔽线与接线端子的公座相连，接线端子的公座与接线端子的母座相连，接线端子的母座与检测电路相连；基准电源用于给检测电路供电，检测电路的信号由控制器采集。本发明是针对普鲁士蓝膜生物电极的检测电路，灵敏度高、稳定性好及抗干扰能力强的普鲁士蓝膜生物电极传感器的电流信号进行稳定传输，将电流信号转化为一定比例的电压信号进行输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路，属于检测电路技术领域。
背景技术
常用于乙醇、丙酮酸生化参量检测的方法有高效液相色谱法、婓林滴定法、比色法、气相色谱法、近红外光谱法、酶电极法等。其中，高效液相色谱法、婓林滴定法、气相色谱法或需要昂贵的大型仪器设备，或操作复杂；比色法需加入显色剂，会污染待测溶液，操作过程较繁琐且检测精度低；近红外光谱需要在一定算法基础上对物质进行定性定量分析，且测量精度较低。相比之下，酶电极法突显优势。目前的酶电极法检测电路信号检测范围限制明显，不能检测微弱信号电流。
发明内容
本发明目的公开一种针对普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路，灵敏度高、稳定性好及抗干扰能力强的普鲁士蓝膜生物电极传感器的电流信号进行稳定传输，将电流信号转化为一定比例的电压信号进行输出；
一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路，包括普鲁士蓝膜生物电极传感器、连接器、三芯屏蔽线、接线端子、检测电路、控制器和基准电源；
普鲁士蓝膜生物电极传感器与连接器连接，连接器的参考电极RE、工作电极WE、对电极CE与三芯屏蔽线相连，连接器通过三芯屏蔽线与接线端子的公座相连，接线端子为4P接口，接线端子的接口包括参考电极RE、工作电极WE、对电极CE和接地端；接线端子的公座与接线端子的母座相连，接线端子的母座与检测电路相连；基准电源用于给检测电路供电，检测电路的信号由控制器采集。
检测电路包括第一运算放大器单元和第二运算放大器单元；
第一运算放大器单元和第二运算放大器单元通过连接电阻R11相连接；
第一运算放大器单元包括通道A运算放大器和通道B运算放大器，第一运算放大器单元的接线引脚包括通道A的输出引脚、通道A反相输入引脚、通道A同相输入引脚、负电源电压引脚、通道B同相输入引脚、通道B反相输入引脚、通道B的输出引脚和正电源电压引脚；
连接器的参考电极RE串联电阻R9和电阻R8后与通道A反相输入引脚连接，对电极CE通过电阻R10与通道A的输出引脚连接；电阻R9与电阻R10之间连接电容C2，电阻R8与通道A的输出引脚之间连接电容C1；工作电极WE通过输入电阻R6与通道B反相输入引脚连接；
输入电阻R6与连接电阻R11之间并联连接电容C5和反馈电阻R7；反馈电阻R7作为运算放大器的反馈电阻，电容C5作为补偿电容，对运放的输入端和反馈电阻等元件本身具有的分布电容进行相位的超前补偿，避免自激振荡，提高电路稳定性；
电源VCC经过电阻R3、电阻R4和电阻R5的分压后连接通道A同相输入引脚，负电源电压引脚接地；
电源VCC经过电阻R1和电阻R2分压后输入到通道B同相输入引脚，通道B的输出引脚连接电阻R11，电容C5作为补偿电容，对第二运算放大器的输入端和反馈电阻R7元件本身具有的分布电容进行相位的超前补偿，避免自激振荡，提高电路稳定性；
正电源电压引脚连接电源VCC正极，电容C3和电容C4并联在电源VCC正极，用于补偿电路感性负荷无功功率和滤波。
第二运算放大器单元的接线口包括通道输出引脚+IN，负电源电压引脚V—，同相输入端引脚—IN、反相输入端引脚OUT，正电源电压引脚V+；
电阻R11串联电阻R12之后连接通道输出引脚+IN，电容C7一端连接通道输出引脚+IN，另一端接地；负电源电压引脚V—接地；R12和C7构成第一RC滤波器；
同相输入端引脚—IN与反相输入端引脚OUT直接相连构成电压跟随器，反相输入端引脚OUT连接控制器，输出被控制器采集；电容C6一端连接在电阻R11和电阻R12之间，另一端连接反相输入端引脚OUT，电阻R11和电容C6构成第二RC滤波器；
正电源电压引脚V+接电源VCC，电容C8和电容C9并联后一端连接正电源电压引脚V+，另一端接地；电容C8和电容C9的作用是滤波。
进行普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测，具体包括以下步骤：
S1，对检测电路供电基准电压，保证检测电路可靠运行；
S2，将普鲁士蓝膜生物电极传感器产生电流信号通过三芯屏蔽线传输到接线端子公座；
S3，将接线端子公座连接到母座，当有电流信号在工作电极WE和对电极CE形成回路时，参考电极RE的电压恒定，对电极CE、电容C1和通道A运算放大器构成的负反馈电路，控制流出或流入对电极CE电流的大小，由电阻R10反馈出电压的变化；
S4，工作电极WE的电流由对电极CE流出或流入，通道B运算放大电路通过反馈电阻R7和输入电阻R6的放大作用放大输入电阻R6上的电压，通过通道B的输出引脚反馈出放大电压；
S5，通道B的输出引脚通过电阻连接到第二运算放大器单元上，第二运算放大器单元构成电压跟随器，主要为了起缓冲，提高带载能力的作用与7号引脚的输出相接能够稳定输出电压；
S6，控制器通过ADC(模数转换器)采集，采集得到的电压信号，在芯片内部计算电压值、电流值和浓度值信息完成信号的检测。
本发明有益效果包括：
第一，本发明是针对普鲁士蓝膜生物电极的检测电路，灵敏度高、稳定性好及抗干扰能力强的普鲁士蓝膜生物电极传感器的电流信号进行稳定传输，将电流信号转化为一定比例的电压信号进行输出；第二、本发明能检测更微弱的电流信号且测量准确性好；第三、本发明采用精密的稳压芯片，如REF193，保证检测电路电流的稳定性，从而准确地计算出溶液浓度；第四，本发明的基于普鲁士蓝膜生物电极生物传感器具有高灵敏度，宽线性范围，低的检测极限，同时具有优良的重复性、稳定性和抗干扰能力，成本低。
附图说明
图1为本发明一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路结构框图。
图2为本发明一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明公开一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路，包括普鲁士蓝膜生物电极传感器、连接器、三芯屏蔽线、接线端子、检测电路、控制器(主芯片)和基准电源；
普鲁士蓝膜生物电极传感器与连接器连接，连接器的参考电极RE、工作电极WE、对电极CE与三芯屏蔽线相连，连接器通过三芯屏蔽线与接线端子的公座相连，接线端子的公座与接线端子的母座相连，接线端子的母座与检测电路相连；基准电源用于给检测电路供电，检测电路的信号由控制器采集。
接线端子为4P接口，接线端子的接口包括参考电极RE、工作电极WE、对电极CE和接地端；
如图2所示，检测电路包括第一运算放大器单元和第二运算放大器单元；
第一运算放大器单元和第二运算放大器单元通过连接电阻R11相连接；
第一运算放大器单元包括通道A运算放大器和通道B运算放大器，通道A运算放大器和通道B运算放大器的连接对应第一运算放大器单元的的相应引脚；第一运算放大器单元的接线引脚包括通道A的输出引脚1、通道A反相输入引脚2、通道A同相输入引脚3、负电源电压引脚4、通道B同相输入引脚5、通道B反相输入引脚6、通道B的输出引脚7和正电源电压引脚8；
连接器的参考电极RE串联电阻R9和电阻R8后与通道A反相输入引脚2连接，对电极CE通过电阻R10与通道A的输出引脚1连接；电阻R9与电阻R10之间连接电容C2，电容C2一端连接在电阻R8和电阻R9之间，另一端连接通道A的输出引脚1；电阻R8与通道A的输出引脚1之间连接电容C1；工作电极WE通过输入电阻R6与通道B反相输入引脚6连接；
输入电阻R6与连接电阻R11之间并联连接电容C5和反馈电阻R7；反馈电阻R7作为运算放大器的反馈电阻，电容C5作为补偿电容，对运放的输入端和反馈电阻等元件本身具有的分布电容进行相位的超前补偿，避免自激振荡，提高电路稳定性；
电源VCC经过电阻R3、电阻R4和电阻R5的分压后连接通道A同相输入引脚3，负电源电压引脚4接地；
电源VCC经过电阻R1和电阻R2分压后输入到通道B同相输入引脚(5)，通道B的输出引脚7连接电阻R11，电容C5作为补偿电容，对第二运算放大器的输入端和反馈电阻R7元件本身具有的分布电容进行相位的超前补偿，避免自激振荡，提高电路稳定性；
正电源电压引脚8连接电源VCC正极，电容C3和电容C4并联在电源VCC正极，用于补偿电路感性负荷无功功率和滤波。
第二运算放大器单元的接线口包括通道输出引脚+IN 11，负电源电压引脚V—12，同相输入端引脚—IN 13、反相输入端引脚OUT 14，正电源电压引脚V+15；
电阻R11串联电阻R12之后连接通道输出引脚+IN 11，电容C7一端连接通道输出引脚+IN 11，另一端接地；负电源电压引脚V—12接地；R12和C7构成第一RC滤波器；
同相输入端引脚—IN 13与反相输入端引脚OUT 14直接相连构成电压跟随器，反相输入端引脚OUT 14连接控制器，输出被控制器采集；电容C6一端连接在电阻R11和电阻R12之间，另一端连接反相输入端引脚OUT 14，电阻R11和电容C6构成第二RC滤波器；
正电源电压引脚V+15接电源VCC，电容C8和电容C9并联后一端连接正电源电压引脚V+15，另一端接地；电容C8和电容C9的作用是滤波。
进行普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测，具体包括以下步骤：
S1，对检测电路供电基准电压，保证检测电路可靠运行；将普鲁士蓝膜生物电极传感器插到连接器上；
S2，普鲁士蓝膜生物电极传感器产生电流信号通过三芯屏蔽线传输接线端子公座；
S3，接线端子公座连接到母座，当有电流信号在工作电极WE和对电极CE形成回路时，参考电极RE的电压恒定，对电极CE、电容C1和通道A运算放大器构成的负反馈电路，控制流出或流入对电极CE电流的大小，由电阻R10反馈出电压的变化；
S4，工作电极WE的电流由对电极CE流出或流入，通道B运算放大电路通过反馈电阻R7和输入电阻R6的放大作用放大输入电阻R6上的电压，通过通道B的输出引脚7反馈出放大电压；
S5，通道B的输出引脚7通过电阻连接到第二运算放大器单元上，第二运算放大器单元构成电压跟随器，主要为了起缓冲，提高带载能力的作用与7号引脚的输出相接能够稳定输出电压；
S6，控制器通过ADC(模数转换器)采集，采集得到的电压信号，计算电压值、电流值和浓度值信息完成信号的检测。
三芯屏蔽线是三芯屏蔽双绞线。
本实施例中，第一运算放大器单元采用的芯片为ADA4528，ADA4528作为精密、超低噪声、零漂移运算放大器，内置双运算放大器，第一运算放大器单元的接线引脚包括通道A的输出引脚1、通道A反相输入引脚2、通道A同相输入引脚3、负电源电压引脚4、通道B同相输入引脚5、通道B反相输入引脚6、通道B的输出引脚7和正电源电压引脚8；
第二运算放大器单元包括芯片ADA4051是微功耗斩波运算放大器，第二运算放大器单元的接线口包括通道输出引脚+IN(11)，负电源电压引脚V—12，同相输入端引脚—IN13、反相输入端引脚OUT 14，正电源电压引脚V+15；
三电极分别通过电阻电容与ADA4528芯片相连。通道A反相输入引脚2接到ADA4051芯片，经过ADA4051芯片反相输入端引脚OUT 14输出再与ADA4528芯片、通道B的输出引脚7相连得出的微弱信号被控制器采集。
ADA4528的通道A同相输入引脚3由VCC经过精密电阻R3、电阻R4、电阻R5分压作为输入，通道A反相输入引脚2由参考电极RE经过电阻R8和R9与之相连，由于运算放大器虚短的原则，通道A反相输入引脚2几乎无电流流过，而RE与电阻R8,R9和电容C1构成等效负反馈回路，电容C2的作用是防止自激振荡。对电极CE与ADA4528芯片输出引脚1相连，电阻R10的作用是限制环路电流。
ADA4528负电源电压引脚4接地，正电源电压引脚8接电源VCC正极。电容C3、C4补偿电路感性负荷无功功率和滤波作用。
ADA4528的通道B反相输入引脚6接输入电阻R6与工作电极WE相连，该电阻越大，信号响应越明显，通道B同相输入引脚5由电源VCC经过精密电阻R1和R2分压输入到同相输入端，输出引脚7接到ADA40511号引脚。反馈电阻R7作为运算放大器的反馈电阻，电容C5作为补偿电容，对运放的输入端和反馈电阻等元件本身具有的分布电容进行相位的超前补偿，避免自激振荡，提高电路稳定性。
ADA4528芯片输出引脚7接ADA4051通道输出引脚+IN 11，两引脚间R11和C6构成RC滤波器，在与ADA40514号引脚相连，R12和C7也构成RC滤波器，再与ADA4051通道输出引脚+IN 11脚相连，作为同相输入端，ADA4051同相输入端引脚—IN 13与反相输入端引脚OUT 14直接相连构成电压跟随器，其输出在被主芯片采集。主芯片的型号为STM32F407VGT6。
ADA4051正电源电压引脚V+15接VCC，电容C8和C9的目的是滤波。ADA4051负电源电压引脚V—12接地。
普鲁士蓝膜生物电极传感器和三芯屏蔽线之间的连接器型号为5-520315-3。与连接器相连的检测线采用的是三芯屏蔽双绞线，保护信号，抗干扰性强。接线端子的型号为KF2EDG4P接线端子，分公座和母座，公座型号为KF2EDGR，与三芯屏蔽线相连，母座型号为KF2EDGK，与电路板相连。
基准电源VCC必须是精密的稳压芯片，如REF193，可以产生稳定的电压，保证输出电流的恒定，从而检测电路能够采集到准确的模拟信号转换为数字信号的值。
普鲁士蓝膜是一种无机铁氰配位化合物，由于其优良的电化学可逆性、稳定性及对过氧化氢具有特异性的电催化活性，被广泛用于酶电化学生物传感器中。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组间可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组间组合成一个模块或单元或组间，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组间。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路，其特征在于，
包括普鲁士蓝膜生物电极传感器、连接器、三芯屏蔽线、接线端子、检测电路、控制器和基准电源；
普鲁士蓝膜生物电极传感器与连接器连接，连接器的参考电极RE、工作电极WE、对电极CE与三芯屏蔽线相连，连接器通过三芯屏蔽线与接线端子的公座相连，接线端子的公座与接线端子的母座相连，接线端子的母座与检测电路相连；基准电源用于给检测电路供电，检测电路的信号由控制器采集；
检测电路包括第一运算放大器单元和第二运算放大器单元；
第一运算放大器单元和第二运算放大器单元通过连接电阻R11相连接；
第一运算放大器单元包括通道A运算放大器和通道B运算放大器，第一运算放大器单元的接线引脚包括通道A的输出引脚(1)、通道A反相输入引脚(2)、通道A同相输入引脚(3)、负电源电压引脚(4)、通道B同相输入引脚(5)、通道B反相输入引脚(6)、通道B的输出引脚(7)和正电源电压引脚(8)；
连接器的参考电极RE串联电阻R9和电阻R8后与通道A反相输入引脚(2)连接，对电极CE通过电阻R10与通道A的输出引脚(1)连接；电阻R9与电阻R10之间连接电容C2，电阻R8与通道A的输出引脚(1)之间连接电容C1；工作电极WE通过输入电阻R6与通道B反相输入引脚(6)连接；
输入电阻R6与连接电阻R11之间并联连接电容C5和反馈电阻R7；反馈电阻R7作为运算放大器的反馈电阻，电容C5作为补偿电容；
电源VCC经过电阻R3、电阻R4和电阻R5的分压后连接通道A同相输入引脚(3)，负电源电压引脚(4)接地；
电源VCC经过电阻R1和电阻R2分压后输入到通道B同相输入引脚(5)，通道B的输出引脚(7)连接电阻R11；
正电源电压引脚(8)连接电源VCC正极，电容C3和电容C4并联在电源VCC正极；
第二运算放大器单元的接线口包括通道输出引脚+IN(11)，负电源电压引脚V—(12)，同相输入端引脚—IN(13)、反相输入端引脚OUT(14)，正电源电压引脚V+(15)；
电阻R11串联电阻R12之后连接通道输出引脚+IN(11)，电容C7一端连接通道输出引脚+IN(11)，另一端接地；负电源电压引脚V—(12)接地；R12和C7构成第一RC滤波器；
同相输入端引脚—IN(13)与反相输入端引脚OUT(14)直接相连构成电压跟随器，反相输入端引脚OUT(14)连接控制器，输出被控制器采集；电容C6一端连接在电阻R11和电阻R12之间，另一端连接反相输入端引脚OUT(14)，电阻R11和电容C6构成第二RC滤波器；
正电源电压引脚V+(15)接电源VCC，电容C8和电容C9并联后一端连接正电源电压引脚V+(15)，另一端接地；电容C8和电容C9的作用是滤波。
2.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路，其特征在于，接线端子为4P接口，接线端子的接口包括参考电极RE、工作电极WE、对电极CE和接地端。
3.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路，其特征在于，
进行普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测，具体包括以下步骤：
S1，对检测电路供电基准电压，保证检测电路可靠运行；
S2，将普鲁士蓝膜生物电极传感器产生电流信号通过三芯屏蔽线传输到接线端子公座；
S3，将接线端子公座连接到母座，当有电流信号在工作电极WE和对电极CE形成回路时，参考电极RE的电压恒定，对电极CE、电容C1和通道A运算放大器构成的负反馈电路，控制流出或流入对电极CE电流的大小，由电阻R10反馈出电压的变化；
S4，工作电极WE的电流由对电极CE流出或流入，通道B运算放大电路通过反馈电阻R7和输入电阻R6的放大作用放大输入电阻R6上的电压，通过通道B的输出引脚(7)反馈出放大电压；
S5，通道B的输出引脚(7)通过电阻连接到第二运算放大器单元上，第二运算放大器单元构成电压跟随器，主要为了起缓冲，提高带载能力的作用与7号引脚的输出相接能够稳定输出电压；
S6，控制器通过ADC采集，采集得到的电压信号，计算电压值、电流值和浓度值信息完成信号的检测。
4.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝膜生物电极的微弱信号检测电路，其特征在于，
三芯屏蔽线是三芯屏蔽双绞线。
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